半导体三极管及其放大电路

本章主要内容:第2章半导体三极管及其放大电路

三极管的基本结构、工作原理、特性曲线和主要参数；以共发射级放大电路为例，讨论放大电路的基本分析方法；共集电极放大电路、多级放大电路的基本工作原理和放大电路的频率响应。2024/3/151三极管的结构三极管的电流分配与放大作用三极管的特性曲线、主要参数2.1

三极管基本知识本节重点内容:2024/3/152频率：高频管、低频管功率：材料：小、中、大功率管硅管、锗管结构：NPN型、PNP型2.1.1三极管的结构2024/3/1532024/3/1542024/3/1552024/3/156发射结

集电结基极发射极

集电极发射区基区

集电区NPNPNP三极管结构示意图和表示符号2024/3/157

三极管有两个PN结——发射结和集电结三个区——发射区、基区和集电区三个电极分别称为发射极e、基极b和集电极c2024/3/158

半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。三极管中的电流

2.1.2三极管的电流分配与放大作用2024/3/159电子和空穴这两种载流子参与三极管的工作，因此又称它为双极型晶体三极管（简称BJT）三极管各电极中的电流（3）电子被集电区收集的过程（1）发射区向基区发射电子的过程

（2）电子在基区的扩散和复合过程

IC=ICN+ICBO

IB=IBN－ICBO

IE=ICN+IBN=IC+IB

在三极管中发射极电流IE等于集电极电流IC和基极电流IB之和很小的基极电流IB，就可以控制较大的集电极电流IC，实现了放大作用2024/3/15102.三极管的电流放大作用

从前面的分析知道，从发射区发射到基区的电子（形成IE），只有很小一部分在基区复合（形成IBN），大部分到达集电区（形成ICN）。当一个三极管制造出来，其内部的电流分配关系，即ICN和IBN的比值已大致被确定，这个比值称为共发射极直流电流放大系数：在小信号放大电路中，由于β和差别很小，因此在分析估算放大电路时常取β=而不加区分。

=ICN/IBN

（2-2）由于IC=ICN+ICBO

IB=IBN－ICBO

故有IC=IB+（1+）ICBO

（2-3）忽略ICBO可简化为

IC≈IB

（2-4）

共发射极交流电流放大系数β为

β=ΔIC/ΔIB

（2-5）2024/3/15111、输入特性曲线输入回路输出回路与二极管特性相似RCVCCIBIERB+uBE

+uCE

VBBCEBIC+

+

+

IBRB+uBE

VBB+

O特性基本重合特性右移导通电压UBE(on)硅管：(0.6

0.8)

V锗管：

(0.2

0.3)

V取0.7V取0.2VVBB+

RB2.1.3三极管的特性曲线2024/3/15122、输出特性曲线iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321①

截止区：

IB

0

IC=ICEO

0条件：两个结反偏②放大区：③饱和区：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0条件：两个结正偏特点：IC

IB临界饱和时：

uCE

=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(锗管)放大区截止区饱和区条件：发射结正偏集电结反偏特点：水平、等间隔ICEO2024/3/1513

电流放大系数、极间反向电流、极限参数（1） β

=IC/IB

≥11.电流放大系数（2） α=IC/IE≤1在选择三极管时，如果β值太小则电流放大能力差，β值太大会使工作稳定性差。β值一般选20~100。

2.1.4三极管的主要参数2024/3/15142.极间反向电流

(1)集—基极间反向饱和电流ICBO

ICBO的下标CB代表集电极和基极，

O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。

(2)集—射极间的反向饱和电流ICEOICEO和ICBO有如下关系

ICEO=（1+β）ICBO相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。判断三极管质量的重要参数ICBO受温度影响很大,每升高10oC,增加10倍

2024/3/1515（1）ICM—集电极所允许流过的最大电流3.极限参数

三极管集电极最大允许电流ICM。当IC＞ICM时，管子性能将显著下降，甚至会烧坏三极管。

（3）U(BR)CEO—反向击穿电压（2）PCM—集电极最大允许功耗集电结上允许损耗功率的最大值，超过此值就会使管子性能变坏甚至烧毁。基极开路，集—射极之间的击穿电压。三极管的极限损耗区

ICICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区2024/3/1516半导体三极管的主要用途之一是利用其电流放大作用组成各种放大电路。放大电路的应用十分广泛，其主要作用是将微弱的信号进行放大，以便人们测量和利用。所谓放大，表面上看是将小信号的幅度由小增大，但放大的本质是实现能量的控制。放大电路需要配置直流电源，用能量较小的输入信号去控制这个电源，使之输出较大的能量去推动负载。这种小能量对大能量的控制作用，就是放大电路的放大作用。2.2共发射极放大电路2024/3/1517三极管

起放大作用偏置电路VCC

、Rb提供电源，并使三极管工作在线性区。耦合电容C1、输入耦合电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出耦合电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。负载电阻RC、RL将变化的集电极电流转换为电压输出。1.组成2.2.1共射基本放大电路的组成及工作原理2024/3/15182.放大原理

输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结，于是有下列过程：三极管电流放大作用

变化的iC通过RC转变为变化的电压输出2024/3/1519静态：ui＝0时电路的工作状态静态工作点

Q：由IBQ、ICQ、UCEQ决定画直流通路（电容器开路）+TRb1RCCVc2.2.2共射基本放大电路的基本分析方法1.静态分析2024/3/1520例2-1在下图中，已知VCC=12V，RB=300kΩ，RC=4kΩ，β=37.5，试求放大电路的静态值。解：根据如图所示的直流通路，可以得到

IBQ≈VCC/RB=12/300=0.04(mA)

ICQ≈βIBQ=37.5×0.04=1.5(mA)

UCEQ=VCC

－ICQRC=12－1.5×4=6(V)2024/3/15212.动态分析放大电路有信号输入时的工作状态称为动态。动态分析主要是确定放大电路的电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro等。放大电路有信号输入时，三极管各极的电流和电压瞬时值既有直流分量，又有交流分量。直流分量一般就是静态值，而所谓放大，只考虑其中的交流分量。2024/3/1522（1）三极管简化微变等效电路rbeIbubebceIcβIbuce-ucec+VT+-ubeIbIcbe

从图中可以看出，三极管的输入回路可以等效为输入电阻rbe。在小信号工作条件下，rbe是一个常数，低频小功率管的rbe可用下式估算：

26（mV）

rbe=300+(1+β)————（2-10）

IE（mA）三极管发射极电流的静态值IE≈ICQ

2024/3/1523(2)放大电路的简化微变等效电路交流通路的画法：将直流电源短路，电容短路交流通路简化微变等效电路三极管等效电路2024/3/1524

（3）放大电路交流参数的计算

①电压放大倍数Au

式中的负号表示输出与输入电压相位相反。如果电路的输出端开路，即RL=∞，则有

Au=－βRC/rbe

（2-12）负载电阻越大，放大倍数越大。

2024/3/1525

解：在例2-1中已求出，ICQ=1.5mA

由公式可求出

rbe=﹝300+（1+37.5）26/1.5﹞=967(Ω)

则Au=－37.5(4∥4)/0.967=－77.6例2-2在下图中，VCC=12V，RC=4kΩ，RB=300kΩ，β=37.5，试求放大电路的电压放大倍数Au。2024/3/1526②输入电阻Ri

电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望输入电阻越大越好。通常RB＞＞rbe，因此Ri≈rbe，可见共射基本放大电路的输入电阻Ri不大。2024/3/1527

③输出电阻RO

对于负载而言，放大器的输出电阻Ro越小，负载电阻RL的变化对输出电压的影响就越小，表明放大器带负载能力越强，因此总希望Ro越小越好。2024/3/1528②由直流负载线

UCE=VCC－ICRC

（VCC，0）和（0，

VCC/Rc

）在与IBQ的交点可得到Q点的参数IB

、IC

和UCE

。①在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可画出直流负载线。3.放大电路的图解分析法简介

图解分析法（简称图解法）是放大电路的另一种分析方法

（1）用图解法分析放大电路的静态工作情况2024/3/1529

（2）用图解法分析动态工作情况ICICEVCCQIBQ交流负载线直流负载线

斜率为-1/R'L（R'L=RL∥Rc）经过Q点

注意：交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹空载时，交流负载线与直流负载线重合

用图解法能够直观显示出在输入信号作用下，放大电路各点电压和电流波形的幅值大小及相位关系，尤其对判断静态工作点是否合适、输出波形是否会失真等十分方便。2024/3/1530

ui输入一微小的正弦信号uiuceicibiCuCEiBuBEQib2024/3/1531

结论

（1）放大电路中的信号是交直流共存可表示为：（2）输出uo与输入ui相位相反，但幅度放大了，频率不变。2024/3/1532

（3）静态工作点对输出波形失真的影响

对一个放大电路来说，要求输出波形的失真尽可能小。但是，当静态工作点设置不当时，输出波形将出现严重的非线性失真。在图中，静态工作点设于Q点，可以得到失真很小的Ic和uce波形。但是，当静态工作点设在Q1或Q2点时，会使输出波形产生严重的失真。2024/3/1533①饱和失真当Q点设置偏高，接近饱和区时，Ic的正半周和uce的负半周都出现了畸变。这种由于动态工作点进入饱和区而引起的失真，称为“饱和失真”。②截止失真当Q点设置偏低，接近截止区时，使得Ic的负半周和uce的正半周出现畸变。这种失真称为“截止失真”。2024/3/1534

1.温度对工作点的影响

对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、

和ICEO决定，这三个参数随温度而变化。总之TICTUBEIBICT

、ICEOIC2.2.3共射放大电路工作点的稳定2024/3/1535

2.静态工作点稳定电路

条件

：若I2>>IB，则

UB稳定

采用分压式偏置电路稳定工作点。

电路主要采取了两个措施：一是采用分压式基极偏置电路；二是增加了发射极电阻RE，为了不造成交流信号在RE上的损失，在RE两端并联了一个容量足够大的交流旁路电容CE。直流通路2024/3/1536

（1）Q点稳定的过程（2）静态工作点的计算

2024/3/1537例2-3在下图中，已知RB1=7.5kΩ，RB2=2.5kΩ，RC=2kΩ，RE=1kΩ，RL=2kΩ，VCC=12V，UBE=0.7V，β=30。试计算放大电路的静态工作点和电压放大倍数Au。

解：

先计算Q点

UB≈﹝2.5/(7.5+2.5)﹞12=3(V)

ICQ≈(3－0.7)/1=2.3(mA)

IBQ≈2.3/30=0.077(mA)

UCEQ=12－2.3(2+1)=5.1(V)再计算Au

rbe=300+(1+30)26/2.3=650(Ω)

RL′=RC∥RL=1(kΩ)

Au=－βRL′/rbe=－30×1/0.65=－46.22024/3/1538共集电极放大电路基本工作原理共基极放大电路的基本工作原理2.3

共集电极、共基极放大电路本节重点内容:2024/3/1539

三极管的集电极直接接在VCC上，对交流信号相当于接地，成为输入、输出回路的公共端。由于电路是从发射极输出信号，故又称为射极输出器。2.3.1共集电极放大电路2024/3/15401.

静态分析

可以看出，发射极电阻RE折算到基极回路相当于（1+β）RE。

2024/3/15412.

动态分析①电压放大倍数Au输入电压与输出电压同相电压跟随器微变等效电路

2024/3/1542②输入电阻③输出电阻通常有RE＞＞(rbe

+RS′)/(1+β)，所以

RO≈(rbe+RS′)/(1+β)若信号源内阻RS很小时，即RS′≈0，且β足够大时，则有

RO≈rbe/β2024/3/1543共集电极放大电路（射极输出器）的特点（1）电压放大倍数小于1，且输出与输入电压同相

。（2）输入电阻高。（3）输出电阻低。射极输出器的应用⑴放在多级放大器的输入端，提高整个放大器的输入电阻。⑵放在多级放大器的输出端，减小整个放大器的输出电阻。⑶放在两级之间，起缓冲作用。2024/3/15441.静态分析

与共射组态相同。2.3.2共基极放大电路直流通路2024/3/15452.动态分析①电压放大倍数②输入电阻③输出电阻Ro≈RC

Au＝uo/uI=(-βIb

RL′)/(-Ib

rbe)=βRL′/rbe

Ri≈rbe/（1+β）

微变等效电路

2024/3/1546

与共发射极电路相比，共基极电路的输入电阻Ri

减小为1/（1+β），一般是几~几十欧姆；输出电阻RO与共发射极电路相同，近似等于集电极电阻RC；电压放大倍数与共发射极电路在数值上相同，只差了一个负号。共基极电路的特点是输入电阻低，输出电压与输入电压同相位。

2024/3/1547

三种放大器性能比较

①共射电路既有电压放大作用，又有电流放大作用；其输入电阻不大，输出电阻也不大；输出电压与输入电压相位相反；得到广泛应用。

②共集电极电路只有电流放大作用，没有电压放大作用；输入电阻大，输出电阻小，带负载能力强；可用于放大器的输入级、输出级和缓冲级；它的输入电压和输出电压同相位。

③共基极电路只有电压放大作用，没有电流放大作用；其输入电阻较小，输入电压与输出电压同相位；广泛应用于高频放大电路中。

2024/3/1548在许多情况下，单级放大电路的电压放大倍数往往不能满足要求。为此，要把放大电路的前一级输出接到后一级的输入端，级联成二级、三级或者多级放大电路。级和级之间的连接方式称为耦合方式。放大电路级间的耦合方式，既要将前级的输出信号顺利传递到下一级，又要保证各级都有合适的静态工作点。常见的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合和光电耦合等各种形式。

2.4多级放大电路2024/3/1549

输入级和中间级主要用作电压放大，可以将微弱的输入电压放大到足够的幅度。后面的末前级和输出级用作功率放大，向负载输出足够大的功率。

多级放大电路的组成框图2.4.1多级放大电路的组成框图2024/3/15501.电路组成两级阻容耦合放大电路

2.4.2阻容耦合多级放大电路第一级放大电路的输出是经过CB2与第二级放大电路的输入电阻Ri2联系起来的，故称为阻容耦合方式。阻容耦合的特点是，各级的静态工作点相互独立，所以阻容耦合多级放大电路的静态分析与单级放大电路的静态分析完全相同。

2024/3/15512.

阻容耦合多级放大电路的计算

电压放大倍数

Au=Au1·Au2

(2)输入电阻(3)输出电阻

Ri=Ri1=RB1∥rbe1

RO=RO2=RC2

2024/3/1552频率响应和通频带的概念单级阻容耦合放大电路的频率响应三极管的频率参数2.5放大电路的频率响应本节重点内容:2024/3/1553

电子电路中所遇到的信号往往不是单一频率的，而是工作在一段频率范围内的。

频率响应——放大电路对不同频率正弦信号的放大效果。2.5.1频率响应和通频带的概念2024/3/1554

放大电路的频率响应可直接用放大电路的电压放大倍数对频率的关系来描述，即

表示电压放大倍数的模与频率的关系，称为幅频特性

放大电路输出电压与输入电压之间的相位差与频率的关系，称为相频特性

放大电路的频率响应2024/3/1555BW=f

H－f

L

通频带是放大电路频率响应的一个重要指标。通频带愈宽，表示放大电路工作的频率范围愈宽。例如，质量好的音频放大器，其通频带可从20Hz至20kHz。相频特性幅频特性2024/3/1556输入回路的分布电容

输出回路的分布电容

2.5.2单级阻容耦合放大电路的频率响应2024/3/1557

在中频区，由于耦合电容C1、C2以及发射极旁电容CE的容量比较大，呈现的容抗很小，因而可以视为短路而忽略不计。另一方面，由于Ci

和Co容量很小，在中频范围内呈现容抗很大，可视为开路而忽略不计。放大电路的电压放大倍数与频率无关，输出电压与输入电压之间的相位差始终维持－180°不变。1.中频区2024/3/15582.低频区

当信号频率低于中频区频率时：Ci

和CE的容抗更大，完全可以视为开路而忽略不计。耦合电容C1、C2以及旁路电容CE的容抗增大，不能视为短路。它们将对低频区的频率特性产生影响，使放大倍数减小、相位差超前。

为了减少C1、C2

和CE

的影响，应当使其容量足够大，CE

容量的大小是影响放大倍数减小的主要因素。2024/3/15593.高频区

当信号频率进入高频区时：耦合电容C1、C2和旁